Plasma waveguides for high-intensity laser pulses

Licht is een krachtig instrument, maar het heeft een natuurlijke zwakte: het wil uitwaaieren. Wanneer een lichtstraal door de lege ruimte of door een standaard materiaal reist, spreidt deze zich van nature uit, waardoor hij breder en zwakker wordt naarmate hij verder gaat. Dit spreiden, bekend als diffractie, beperkt hoe ver een laser intens genoeg kan blijven om serieus werk te verrichten. Decennialang wilden wetenschappers laserpulsen over lange afstanden strak gefocust houden om heldere nieuwe lichtbronnen te creëren of om deeltjes naar ongelooflijke snelheden te versnellen. Bij een laag vermogen kunnen glazen vezels licht in een strakke lijn houden, vergelijkbaar met hoe een tuinslang water vasthoudt. Maar wanneer het licht extreem intens wordt, zoals bij moderne krachtige lasers, zou het elke glazen vezel die het aanraakt onmiddellijk doen smelten of verbrijzelen. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op een ander soort vezel, gemaakt niet van glas, maar van heet, geïoniseerd gas genaamd plasma.

Dit artikel beoordeelt de ontwikkeling van deze plasma-golfgeleiders, die fungeren als onzichtbare tunnels voor hoog-intensieve laserpulsen. De onderzoekers leggen uit hoe deze tunnels worden gebouwd en hoe ze ervoor zorgen dat laserlicht meters ver kan reizen zonder zijn kracht te verliezen. Het werk wordt gedreven door de wens om de grenzen van lasergestuurde deeltjesversnelling te verleggen, een gebied waar wetenschappers laserpulsen gebruiken om elektronen naar energieën te duwen die voorheen alleen mogelijk waren in enorme, kamerbrede machines. Door de afstand te verlengen waarover een laser krachtig kan blijven, hebben deze plasma-geleiders geholpen bij het versnellen van elektronenbundels tot energieën van ongeveer 10 miljard elektronvolt, een mijlpaal die de droom van compacte, hoogenergetische versnellers dichter bij de realiteit brengt.

De kernuitdaging is dat hoog-intensieve lasers interageren met materie op een zo gewelddadige manier dat ze deze bijna onmiddellijk in plasma veranderen. In deze staat gedraagt het materiaal zich anders dan glas. De onderzoekers beschrijven twee hoofdmethode om deze plasma-tunnels te creëren. De eerste methode maakt gebruik van een vooraf gemaakte structuur, vaak een klein buisje genaamd een capillair, waar een elektrische ontlading het gas binnenin verhit om een geleidingskanaal te vormen. De tweede methode, die recenter is, houdt in dat de tunnel ter plekke wordt gecreëerd met behulp van een speciaal type laserstraal. Deze straal heeft de vorm van een holle lichtkegel die focust in een lange, dunne lijn. Wanneer deze lijn van licht een gas raakt, worden elektronen uit de atomen geslagen, waardoor een kolom van plasma ontstaat. Omdat het plasma het heetst en het dichtst is aan de randen van deze kolom en koeler in het midden, creëert het een brekingsindex die werkt als een lens, waardoor het licht wordt gevangen en wordt gedwongen om gefocust te blijven terwijl het langs de lijn reist.

Lange tijd waren deze door lasers gecreëerde tunnels kort en moeilijk te controleren. De paper benadrukt echter een grote doorbraak: het vermogen om deze geleiders te creëren over afstanden van tot wel één meter. Dit werd bereikt door een gasstraal te gebruiken die een constante stroom waterstofgas uitspuit, die vervolgens wordt geïoniseerd door de speciale laserstraal. De onderzoekers ontdekten dat ze, door de laserstraal zorgvuldig te vormen en de gasstroom te controleren, een stabiele tunnel konden creëren die de laserpuls over de gehele lengte van de straal geleidt. Dit is een significante verbetering omdat het de laser in staat stelt om veel langer met het gas te interageren, wat essentieel is voor het overdragen van energie aan elektronen.

De review details hoe deze geleiders werken door ze te vergelijken met de manier waarop licht door een glazen vezel reist, maar met een cruciaal verschil. In een glazen vezel is de kern dichter dan de mantel, waardoor het licht binnen blijft. In een plasma-golfgeleider is de fysica omgekeerd: het centrum van de tunnel heeft een lagere dichtheid aan vrije elektronen dan de omliggende wanden. Omdat vrije elektronen licht vertragen, betekent de lagere dichtheid in het midden dat licht daar sneller reist, wat effectief een pad van de minste weerstand creëert dat de bundel ervan weerhoudt om uit te waaieren. De onderzoekers laten zien dat deze geleiders verschillende lichtpatronen kunnen ondersteunen, vergelijkbaar met de verschillende noten die een gitaarsnaar kan spelen, en dat het controleren van welk patroon wordt gebruikt essentieel is voor het behalen van de beste resultaten.

Een van de belangrijkste bevindingen die worden besproken, is hoe deze geleiders de versnelling van elektronen naar energieën van bijna 10 miljard elektronvolt mogelijk hebben gemaakt. In deze experimenten wordt een krachtige laserpuls door de plasma-tunnel gestuurd. Terwijl de puls reist, creëert hij een kielzog achter zich, zoals een boot die door water vaart. Elektronen surfen op dit kielzog en winnen een enorme snelheid. Zonder de plasma-geleider zou de laserpuls uitwaaieren en zijn kracht verliezen lang voordat hij de elektronen tot zulke hoge energieën kan versnellen. De geleider houdt de laser strak en sterk, waardoor de versnelling over de volledere meter lange afstand kan doorgaan. De paper merkt op dat dit succes rust op de nauwkeurige controle van de gasdichtheid en de vorm van de laserstraal, om ervoor te zorgen dat de tunnel stabiel blijft en dat de laser niet te snel energie verliest.

De onderzoekers verkenden ook hoe ze deze geleiders nog beter konden maken door "trechters" bij de ingang te creëren. Net zoals een trechter helpt om vloeistof in een fles te gieten zonder te morsen, helpt een gevormde plasma-ingang de laserpuls om soepel de tunnel binnen te gaan, waardoor de hoeveelheid licht die verloren gaat voordat de reis begint, wordt verminderd. Deze techniek heeft aangetoond de efficiëntie van het acceleratieproces te verbeteren. Bovendien bespreekt de paper hoe deze geleiders kunnen worden afgestemd om verschillende dichtheden over hun lengte te hebben, wat helpt om de elektronen in de pas te houden met de lasergolf, zodat ze niet uit de versnellingsfase raken.

Hoewel de technologie aanzienlijk is gevorderd, erkent de paper dat er nog steeds uitdagingen zijn. Het creëren van deze geleiders vereist nauwkeurige timing en controle, en het proces van het ioniseren van het gas kan soms instabiliteit veroorzaken. Echter, het vermogen om meterlange, stabiele plasma-golfgeleiders te generen, vertegenwoordigt een grote stap voorwaarts. Het transformeert de manier waarop wetenschappers hoog-intensieve lasers kunnen gebruiken, van korte, beperkte interacties naar lange, aanhoudende interacties. Deze vooruitgang opent de deur naar nieuwe mogelijkheden voor het creëren van heldere röntgenbronnen en het ontwikkelen van compacte deeltjesversnellers die ooit gebruikt kunnen worden in de geneeskunde en de industrie, in plaats van alleen in enorme nationale laboratoria. Het werk dat in de paper wordt beschreven, laat niet alleen zien dat deze geleiders gemaakt kunnen worden; het demonstreert dat ze gecontroleerd en gebruikt kunnen worden om resultaten te behalen die voorheen als onmogelijk werden beschouwd, wat een nieuw tijdperk inluidt in de studie van licht en materie.